Mini Manuel de Génétique - 2e éd.

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Les ouvrages de la collection «Mini Manuels» présentent sous une forme concise et attractive (2 couleurs, nombreux schémas) les notions essentielles pour préparer un examen ou un concours. Le cours est illustré par des encarts faisant le lien avec la vie quotidienne ou apportant quelques compléments techniques ou historiques. En fin de chapitre, un rappel des points clef, des exercices, des QCM ou des QROC, tous corrigés, permettent de tester ses connaissances et de s'entraîner avant l'épreuve. Cet ouvrage rassemble de manière pédagogique et synthétique toutes les connaissances de base qu'il faut avoir assimilées en génétique à l'issue des deux premières années d'études supérieures notamment en Génétique Humaine. Le lecteur y trouvera également des applications biomédicales des découvertes les plus récentes.

Publié le : mercredi 12 janvier 2011
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EAN13 : 9782100559305
Nombre de pages : 272
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Introduction à la génétique des microorganismes
4.1 Génétique bactérienne
4.2 Génétique des bactériophages
4.3Test de complémentation ou test d’allélisme fonctionnel 4.4 Test d’allélisme structural PLAN 4.5 Génétique de la levure 4.6 Microorganismes et génie génétique
Comprendre le transfert d’ADN chez les bactéries
Aborder les mécanismes de transduction
Comprendre l’intérêt des tests de complémentation OBJECTIFS Intégrer les applications de la génétique des microorganismes
Dès qu’il fut clair que des relations directes existaient entre le matériel héréditaire et les caractéristiques fonctionnelles d’une cellule oud’un organisme, les microorganismes s’imposèrent comme des outils de choix pour explorer en profondeur la nature desgènes. Pourtant, on ne peut pas direapriorique, n’étant pasvisibles à l’œil nu, les micro organismes possèdent des caractéristiques facilement reconnaissables. Le fait d’avoir assez rapidement caractérisé leurs défauts métaboliques, isolé les souches mutantes, établiune relation entre desvariants bio chimiques et les mutationsgéniques, enun mot, engagéunevéritable démarche d’étudegénétique fondée sur les relations entregènes et fonctions, a largement contribué à leur succès. Étant donné qu’il s’agit d’organismeshaploïdes, l’analysegénétique ne dépend pas dufait quune mutation soitdominanteourécessive puisquun seulallèledugène étudié est présent. Il ne peut donc pas être masqué dans son expression parun autre allèle, comme c’est fréquemment le cas pour les organismesdiploïdes. De plus, les micro organismes, tout particulièrement les bactéries, peuvent produireune nouvellegénération de cellules en moyenne toutes les heures, ce qui,
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pour legénéticien qui étudie la transmission des caractères et desgènes aucours desgénérations successives, constitueun avantage considérable. Pour toutes ces raisons et d’autres qui seront abordées aufil de ce chapitre, lagénétique des microorganismes a contribué de façon déci sive à fonder les concepts majeurs de lagénétique. Elle a suréaliser avant toute autre, la synthèse entre l’approche phénoménologique (les phénotypes) et l’approche moléculaire (lesgènes et l’ADN).
4.1GÉNÉTIQUE BACTÉRIENNE Les bactéries appartiennent àune classe d’organismes appeléspro caryotes qui inclut également les algues bleues oucyanobactéries. Les procaryotes ne possèdent pas de noyau. Leursgènes, constitués d’ADN, sont regroupés essentiellement surun seul chromosome circulaire. Des structures de plus petite taille, lesplasmides,portent desgènes, tels lesgènes de résistance à des agents chimiques, qui fournissent à la cellule la possibilité devivre et se multiplier dansun environnement défavorable. Organismes modèles dont le plus connuest la bactérieEscherichia coli(E. coli), ils se divisent rapidement et se cultivent sur des milieux liquides oucontenant les éléments n solides utritifs de base (milieu minimal : sels inorganiques etune source de carbone). Cultivées sur milieuen boîte de Pétri, les bactéries sont immobilisées et solide 7 restent regroucellpées. À partir de 10 ules, la masse de cellules cons titueunecolonie,visible à l’œil nu. Toutes les cellules d’une colonie isolée surune boîte sont issues d’une seule cellule, elles ont donc toutes le même matérielgénétique et constituentunclone.
Mutants bactériens En traitant les bactéries avec des agents mutagènes, on peut obtenir de très nombreuses mutations qui empêchent la cellule de se multiplier dansun milieuminimal. Elle ne pourra croître que si l’on ajoute à ce milieutel outel métabolite dont la synthèse n’est plus assurée dans la cellule mutante. Ainsi,ungrand nombre de mutations touchant la synthèse des métabolites essentiels pour la croissance bactérienne ont été identifiées, chacune d’entre elles correspondant à l’une des enzymes mises en jeu dans les étapes de biosynthèse des diverses molécules biologiques. Pourune espèce bactérienne donnée, la souche qui a perdula capacité de synthétiserun métabolite essentiel (un acide aminé par exemple) est diteauxotrophe(pour cet acide aminé). À l’inverse, la souche de type sauvage qui ne présente pas cette exigence nutritionnelle sera diteprototrophe. Certains mutants ne sont plus capables d’utiliser par exempleun ose particulier comme source de carbone, on parle alors
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Chapitre 4Introduction à lagénétique des microorganismes
demutants cataboliques. Certaines substances chimiques, comme les antibiotiques, peuvent tuer les bactéries mais certaines d’entre elles, appelésmutantssistants, peuvent se diviser même en présence de l’antibiotique et fonder des colonies. Tous ces divers types de mutants (Tableau 4.1) fournissent desmarqueursgénétiques pour suivre l’évolution desgénomes lors d’expériences.
Symboles
leu
+ leu
lac
+ lac
s amp
r amp
TABLEAU4.1 SYMBOLESUTILISESENGÉNÉTIQUEBACTÉRIENNE.
Phénotypes associés
Auxotrophe pour la leucine qui doit être en plus du milieu minimum
Prototrophe pour la leucine, alors inutile dans le milieu minimum
Incapable d’utiliser le lactose comme source de carbone
Utilise le lactose comme source de carbone
Sensibilité à un antibiotique, ici l’ampicilline
Résistance à un antibiotique, l’ampicilline
Conjugaison bactérienne En 1946, Joshua Lederberget Edward Tatum, parune expérience à la fois simple et élégante, exploitent les exigencesd’E. colien certains nutriments pour démontrer l’existence de la recombinaisongénétique. Ilsutilisent deux souches A et B présentant des exigences nutritionnelles différentes. La souche A est auxotrophe pour la méthionine et la biotine et prototrophe pour la leucine et la thréonine ; son phénotype est donc : – – + + met , bio , leu. La so, thr uche B est auxotrophe pour la thréonine et la leucine et prototrophe pour la méthionine et la biotine ; d’où son + + – phénotype : met , bio , leu, thr . Si des cultures de bactéries A et B en mélange sont étalées sur des boîtes contenantun milieuminimum sans supplément nutritionnel, quelques colonies apparaissent après + + + + 48 h. Seules des bactéries prototrophes (met , bio , leu, thr ) sont capables de se développer surun tel milieu. Par contre, aucune colonie n’estvisible sur les boîtes témoins ensemencées avec des bactéries A ouB(Fig. 4.1). Pour s’assurer que les souches ne sécrétaient pas de substances qui auraient été absorbées etutiliser par les autres cellules pour leur prolifération, Bernard Davis construisitun tube en U dont les deux bras sont séparés parun filtre qui ne peut laisser passer que les molécules dissoutes dans le milieu. En introduisant la souche A dansun bras, et la souche B dans l’autre, et après plusieurs heures
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d’incubation, Davis testa les cellules de chaque bras dutube et constata + + + + l’absence de cellules de phénoty, le, bio pe met u. Il en concl, thr ut quuneunion physique des bactéries est nécessaire pour quun transfert d’informationgénétique entre les deux souches ait eulieu. Cetteunion physique,visible en microscopie électronique, est appeléeconjugaison.
Souche A +– + Met Bio Leu Thr
Milieu minimum
Aucune colonie ne pousse
Mélange des souches A et B
Incubation Étalement
Milieu minimum
Apparition de quelques colonies de phénotype + + + + (Met Bio Leu Thr )
Souche B + +Met Bio Leu Thr
Milieu minimum
Aucune colonie ne pousse
Figure 4.1Mise en évidence du transfert de matériel génétique entre bactéries. Les souches A et B ne peuvent pas se diviser sur un milieu minimal. En effet la souche A doit trouver dans le milieu la méthionine et la biotine et la souche B, la leucine et la thréonine. Or, le milieu minimal ne les contient pas. Le mélange des souches, qui favorise le transfert de matériel génétique, conduit à l’apparition de colonies recombinantes capables de synthétiser ellesmêmes les quatre métabolites à partir des constituants du milieu minimal.
Le facteur sexuel
L’expérience décrite cidessus suggère l’existence d’une sexualité chez les bactéries. En effet, il existe des cellules avecun rôle dedonneur et des cellules ayant le rôle dereceveur. Cependant, lesgénomes de
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Chapitre 4Introduction à lagénétique des microorganismes
ces bactéries ne fusionnent jamais en entier pour constituerun nouveau descendant comme chez les organismes supérieurs. Le transfert de l’informationgénétique estunidirectionnel et est assuré parunfacteur de fertilité oufacteur F. C’estun ADN circulaire autoréplicatif appeléépisome dont héritentles cellules filles indépendamment du chromosome bactérien(Fig. 4.2). Les bactéries qui le possèdent sont + ditesFassurant le rôle de donneur, et celles qui ne le possèdent pas sont ditesFet receveuse. Le facteur F comporte, entre autre, toute l’informationgénétique nécessaire pour son transfert d’une bactérie + – Fversune bactérie F . Lors dutransfert,un contact physique (pont cytoplasmique) s’établit entre les deux bactéries,grâce notamment à l’action depilisexuels codés par le facteur F et qui se trouvent à la + surface des bactéries F .
c
a
)
)
Pili sexuels
Facteur F
+ Bactérie F
Chromosome bactérien
Inégration du facteur F
Bactérie Hfr
b)
Réplication autonome du facteur F
F
+ F
+ F
+ F
+ F
+ F
Figure 4.2Quelques propriétés de l’épisome ou facteur F. + Ena, le facteur F se réplique de façon autonome et il est, présent dans les bactéries F + hérité par toutes les cellules filles ; enbavec une, lors du croisement d’une souche F – + souche F , toutes les bactéries deviennent F ; et enc, formation d’une bactérie Hfr.
+ – Qutoand on croise des bactéries F et des bactéries F utes les + bactéries deviennent F . Dans les bactéries donneuses,une copie simplebrin de l’ADN F est synthétisée selonun mécanisme particulier
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appeléplication en cercle roulant. Un brin de l’ADN F est transféré dans le cytoplasme de la cellule réceptrice où ilva servir de matrice pour la synthèse du second brin. L’autre brin d’ADN resté dans la cellule donneuse lui permettra de la même façon de reconstituer par synthèse ducomplémentaire brin un facteur F fonctionnel. Dans ce type de croisement, aucun fragment duchromosome bactérien de la + – soun’est transféréche F vers la sou, on assiste seche F ulement au transfert entier dufacteur F selon des modalités respectant le principe de réplication semiconservative(Fig. 4.2). Laconjugaison bactérienne permet le transfert de l’ADN (facteur F dans le cas présent), d’une bactérie àune autre.
Les souches Hfr + Le croisement d’une soude tche F ype sauvage, c’estàdire non mutée avecune souche F auxotrophe pour certains métabolites et résistante àun antibiotique puis l’étalement dumélange sur le milieu de sélection (milieuminimum contenant l’antibiotique) aboutissent au veloppement de quelques rares colonies recombinantes témoignant dutransfert de matérielgénétique entre les deux souches bactériennes. Les colonies recombinantes prov(aiennent de bactéries F uxotrophes) ayant reçupar conjugaison lesgènes nécessaires pour restaurer leur capacité à croître sur le milieu minimum, c’estàdire présentant le phénotype sauvage. Cette conjugaison exceptionnelle où quelques rares + bactéries F transfèrent dumatérielgénétique à partir de leur chromo some principal est due à l’intégration dufacteur F dans le chromosome principal(Fig. 4.2). Il est possible d’isoler les quelques cellules qui ont intégré le facteur F dans leur chromosome. Si l’expérience de croisement est alors répétée avec la nouvelle population constituée de cellules ayant intégré le facteur F dans leu1000 fois plr chromosome, on obtient us de recombinants. Ces souches sont appelées pour cette raisonHfrpour Haute fréquence de recombinaison. Grâce à l’intégration du facteur F dans le chromosome principal, ces souches peuvent transférer efficacement aux souches Fune partie de leurgénome. De ce fait, la bactérie réceptrice peut devenir, à cause dufragment de chromosome reçu, homologue de son propre chromo some,une cellule partiellement diploïde. Cette informationgénétique transférée s’intègre ensuite dans le chromosome de la bactérie F par un double crossingover(Fig. 4.3), ce qui permet d’obtenir des cellules et des colonies recombinantes stables. Les cellules F qui portentun allèle dudonneur ont donc participé à la conjugaison et sont appelées exconjugants.
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